施建峰1，2，胡安琪1，郑津洋1，2∗
（1.浙江大学能源工程学院，杭州310027；2. 高压过程装备与安全教育部工程研究中心，杭州 310027）
摘 要：对比了聚乙烯管道和金属管道设计方法的差异，分析了标准中对于管材最小壁厚的计算公式差异的原因。综述了聚乙烯管道标准两个体系的区别和联系，其中一个是国际公认的国际标准化组织（ISO）编制的标准体系，另一个是美国机械工程师学会（ASME）、美国材料实验协会（ASTM）、美国塑料管道协会（PPI）编制的标准体系，两个标准体系对聚乙烯材料分级的依据和测试方法不同，壁厚计算中的设计系数取值方式也不同。分析了国内外现行标准中存在的问题，建议中国以当前聚乙烯管道在燃气、给水与核电等领域快速发展为基础，研制出既能满足这些领域应用发展需求，又适应中国现有聚乙烯管道行业发展现状的技术标准体系。
关键词：聚乙烯管；标准体系；材料分级；设计系数
0 前言
塑料管道已成功应用 60多年，广泛地应用于给水和燃气管道系统中。2019 年，中国塑料制品行业营业收入19077. 5亿元，其中塑料板、管、型材占20. 58 %，利润总额为244. 5 亿元，同比增长 9. 1 %［1］。根据“十三·五”报告，预计2020年我国塑料管道产量将达到16000 kt，塑料管道在各类管材市场中占比将超过55 %［2］。塑料压力管道所用材料主要为高密度聚乙烯（PE⁃HD）。与传统的金属管相比，PE⁃HD管具有耐腐蚀、密度小、管壁光滑、连接方便等优点，目前已经广泛应用于城市给水及燃气供应系统［3］。
聚乙烯材料的性能取决于其结构。20 世纪50年代，第一代聚乙烯管材专用材料被研制出，这种材料耐慢速裂纹扩展（SCG）性能较差，高温下较短的时间就会发生脆性破坏。第二代聚乙烯管材专用材料于70年代产生，与第一代相比材料耐SCG性能提高，因此聚乙烯管的静液压性能有了较大的改善。第三代聚乙烯管材具有更高的耐SCG性能和静液压强度，在80℃试验周期内不出现脆性破坏［4］。
国际上塑料管道从欧洲起步。1957 年，德国开发出PE⁃HD管材专用料并开始用于给水领域，20世纪60年代末，英国燃气公司将聚乙烯管用于燃气领域［5］。欧洲通过塑料管道的长期使用经验和试验研究数据，形成了较为完整的塑料压力管道理论体系，并编制了ISO标准［6］。我国目前塑料管道产品标准基本上与ISO标准保持一致，体现了欧洲生产工艺路线和质量保证体系的基本精神和要求，我国聚乙烯管的生产、检测和质量控制都沿用欧洲的技术路线［7］。
美国于1971年研制出了中密度管材级聚乙烯原料，开始大规模应用于燃气领域。美国聚乙烯管道应用于给水与燃气领域的时间虽晚于欧洲，但未根据已有的ISO标准来制订本国标准，而是不断探索完善了自己的标准体系［5］。美国ASME制定的压力容器与管道规范被认为是世界上技术内容最完整、应用最广泛的规范［8］。ASTM标准规定了材料和产品的性能、试验方法和程序等要求。PPI对PE⁃HD管道性能做了深入的研究，其提供的研究数据与报告是美国PE⁃HD管道标准的主要依据。目前ASTM和ASME分别在聚乙烯管道的材料、产品及具体工程领域的应用制定了多项标准，并正在着手建立统一的塑料管道标准体系。
目前PE⁃HD管道领域ISO标准与美国标准并存，某些国家甚至存在混用的现象。中国是PE⁃HD管道产量和使用量最大的国家，但是燃气与给水用的PE⁃HD管道产品标准仍借鉴ISO标准。目前PE⁃HD管道国标大部分是直接翻译ISO的标准，并对部分内容进行调整，没有完备的独立自主的PE⁃HD管道设计标准体系。设计要基于原材料性能，原材料的分级基于测试方法，例如产品标准GB15558. 1《燃气用聚乙烯（PE）管道系统第1部分：管材》参考ISO 4437⁃2《燃气聚乙烯管道系统第2部分：管材》，而原材料标准GB/T 18252《塑料管道系统用外推法确定热塑性塑料管材以管材形式的长期静液压强度》参考ISO 9080《塑料管道系统用外推法确定热塑性塑料材料以管材形式的长期静液压强度》等。标准体系的完善涉及到整个塑料管道产业链的价值分配，是当前PE⁃HD管道行业发展面临的重大课题。
例如中国从美国西屋引入的世界上第一座AP1000三代核电厂，完全采用美国的设计建造标准。该核电厂的各种冷却水、厂用水系统中包含了大量耐腐蚀、抗震的塑料管道。如三门核电厂一期工程的重要厂用水系统采用的30 in DR9 PE⁃HD管道，完全采用美国的塑料管道标准体系设计、制造、安装。该管道为美国ISCO公司生产后运送到中国进行安装。但因美方也缺少相关检验标准，故业主委托浙江大学非金属管道研究团队对该管道进行无损安全评价［9］。未来如果要对该PE⁃HD管道进行国产化，不仅需要将现有的公制模具尺寸均更改为英制尺寸，而且原材料需要根据美国材料分级的要求进行验证，并且相关的测试设备、检验设备也需要重新配置或改造。这种为了适应某个国家重大工程的配套而单独引入的新塑料管道标准体系，无疑会给中国塑料管道行业及相关生产企业带来额外成本负担。这不仅削弱了国产塑料管道的产品竞争力，甚至可能会对核电厂的长期运行的安全性带来隐患。
与金属管道相比，PE⁃HD管的耐腐蚀性能、耐温度性能及长时蠕变性能不同，但管道总体的设计思想和制造要求应当相似。本文从金属管道的设计方法出发，介绍了PE⁃HD管道与金属管道在设计方法上的区别与联系，在此基础上，系统对比了中国、欧洲与美国现行的市政、核电PE⁃HD管道标准设计方法，特别是管材分级方法的区别，最后提出目前中国PE⁃HD管道标准存在的问题与建议发展的方向。
1 PE⁃HD管与金属管设计方法对比
1. 1 失效模式
金属管材失效模式主要为腐蚀引起的壁厚减薄［10］，设计寿命一般为10~30年［11］。英国天然气公司报道，由腐蚀引起的管道失效占40 %以上［12］；美国运输安全局统计资料表明，由腐蚀引起的管道失效占43. 6 %［13］。
PE⁃HD管具有良好的抗腐蚀性能，设计寿命可达50年以上。PE⁃HD管在不同应力水平下会出现不同的失效模式，主要有以下3种：
（1）管材环向应力水平较高时，管壁最薄弱处由于局部屈服而发生韧性破坏，一般破坏持续时间较短［14］。
（2）管材环向应力为中等应力水平时，破坏模式为准脆性破坏，破坏机理为SCG，破坏时间较长［15］。
（3）管材应力水平较低时，由于腐蚀、老化导致材料力学性能劣化而发生脆性破坏，这一过程一般远超过50年［16］。
将PE⁃HD管材在静液压载荷下的环向应力和破坏时间表示在应力⁃时间对数图中，如图1所示。由3种失效模式组合的应力⁃时间关系曲线将应力⁃时间对数坐标系的第一象限划分为两个部分，并作为管材可服役区域（左下部分）的失效边界。
目前PE⁃HD管道设计规范均以管材发生韧性破坏为基本失效模式，并以此作为设计依据，即壁厚设计针对于破坏发生在图1中折线的第一段。金属管道与PE⁃HD管道的载荷分析和应力计算的区别在于：
（1）常温服役状态下，金属材料强度几乎不发生改变，而PE⁃HD的强度会随时间下降，管材的强度对数与服役时间对数呈近似线性关系[17⁃18]。
（2）由于腐蚀，金属管材壁厚会因腐蚀而随时间逐渐减薄；而PE⁃HD服役过程中壁厚几乎不变。
PE⁃HD管与金属管强度与寿命对比如图2所示。金属管道设计时管材厚度需要留有腐蚀裕量，保证管材在设计的服役周期中腐蚀导致的壁厚减薄不会使管材过薄而发生强度失效。PE⁃HD管道不需要考虑腐蚀因素，但许用应力的取值需要考虑服役时间对材料强度的影响。
1. 2 壁厚计算
1. 2. 1 金属管材壁厚设计
在金属管材标准中，壁厚设计公式均要考虑腐蚀裕量。如ASME ND中规定金属管材壁厚计算公式如式（1）所示，第一项为薄壁圆筒理论计算出所需的管材壁厚，第二项为腐蚀裕量。
式中
A——腐蚀与加工裕量，mm
D0——管材外径，mm
d——管材内径，mm
E——纵向焊缝接头有效系数或铸件质量系数
P——设计内压，MPa
S——设计温度下最大许用应力，MPa
tm——最小壁厚，mm
y——系数，一般取0. 4，对于D0/tm比值小于6的管材
1. 2. 2 PE⁃HD管材壁厚设计
PE⁃HD作为一种黏弹性材料，其强度是关于时间的函数，管材壁厚的确定主要考虑材料在长期载荷作用下的强度。如 ASTM D3035规定PE⁃HD管材壁厚计算公式如式（2）所示：
式中 D0——管材平均外径，mm
P——压力等级，MPa
S——23℃时的静水设计压力（HDS，Hydro⁃static design stress），MPa
t——管材最小壁厚，mm
PE⁃HD管材的耐静液压性能反映了管材承受长期内压的能力。ISO标准体系中用最小要求强度（MRS，Minimum required strength）表示管材的长期静液压强度，美国标准体系中用静水设计基础（HDB，Hydrostat⁃ic design basis）表示。如式（2）中的S是由管材在长期静液压试验数据得到的表征管材长期性能的强度，由HDB决定。
1. 3 许用应力
1. 3. 1 金属管材许用应力
金属材料的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率是设计制造的主要依据。如GB 50316《工业金属管道设计规范》中规定，碳素钢及低合金钢的许用应力取中的最小值。
其中，为材料抗拉强度下限值;为材料常温屈服点;为材料在设计温度下的屈服点;为材料在设计温度下经10×104 h断裂的持久强度的平均值;材料在设计温度下经10×104 h蠕变率为1 %的蠕变极限。
1. 3. 2 PE⁃HD管材许用应力
PE ⁃HD管材的强度表示方法 ，目前主要分为2种[17⁃18]。
一种是美国标准体系使用的 HDB表示法。HDS相当于金属管材的许用应力，HDB相当于金属管材的持久强度，DF相当于金属管材持久强度对应的设计系数。HDS与HDB的关系如式（3）所示：
式中 σHDB——静水设计基础
DF——服役（设计）系数
σHDS——静水设计压力
另一种是欧洲（ISO标准）和我国（GB标准）在使用的MRS表示法。σD相当于金属管材的许用应力，MRS相当于金属管材的持久强度，C相当于金属管材持久强度对应的安全系数。σD与MRS的关系如式（4）所示：
式中
σMRS——最小要求强度
C——总体使用（设计）系数
σD——设计应力
1. 4 金属管与PE⁃HD管壁厚设计方法的联系与区别
金属管道遵循压力容器的设计思想 ，需要考虑壁厚腐蚀减薄；PE⁃HD管的设计主要考虑管材韧性失效，其壁厚计算公式形式上与圆筒压力容器中径公式相似，且不需要考虑腐蚀。金属管道可能存在轴向或环向的焊缝，设计公式中需要考虑焊缝系数；而PE⁃HD管的生产方式为挤出成型，管材上不会有轴向焊缝，设计公式中不需要考虑焊缝系数。
PE⁃HD管道的连接方式主要有电熔连接和热熔连接两种。电熔连接的管件对管道起增强作用，从强度上不需要考虑接头折减系数。热熔对接接头如同金属管道的环向焊缝，与轴向焊缝相比，其对管道整体强度的影响较小；并且热熔对接是同种材料直接熔接，没有引入异种材料，焊接产生的卷边也对管道起到壁厚增厚的作用，因而一般也不考虑热熔接头的性能折减［20］。金属管材和PE⁃HD管材壁厚设计考虑的因素如表1所示。
2 中、美、欧PE⁃HD管道标准比较
2. 1 标准体系介绍
欧洲普遍使用ISO标准系列，现行的PE⁃HD管道产品标准有ISO 4427⁃2《给水和排水聚乙烯压力管道系统第2部分：管材》和ISO 4437⁃2，管材长期强度确定方法的标准为ISO 9080。
中国GB标准主要参考ISO系列标准，如给水用PE⁃HD管道产品标准为GB/T 13663. 2《给水用聚乙烯（PE）管道系统第2部分：管材》，燃气用PE⁃HD管道产品标准为GB 15558. 1，管材长期强度标准为GB 18252等。施工标准方面，中国在金属管标准的基础上制定了埋地PE⁃HD管施工规范CJJ 101《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》和CJJ 63《聚乙烯燃气管道工程技术标准》，其中规定了PE⁃HD管道系统在材料、施工、水压试验、验收等方面的要求。
美国PE⁃HD管道产品标准有ASTM D3035《以受控外径为基准的聚乙烯（PE）塑料管（DR⁃PR）的标准规范》、ASTM F714《依据外径的聚乙烯（PE）塑料管（SDR⁃PR）的标准规范》和ASTM F2619《高密度聚乙烯（PE）管道的标准规范》等。适用于PE⁃HD管道的设计规范有ASME NM. 1《热塑性塑料管道系统》和ASME NM. 3《非金属材料》，其中规定了使用热塑性塑料管材和管件的要求。此外还针对核安全级PE⁃HD管道制定了专用的标准规范案例N⁃755《核3级聚乙烯（PE）塑料管道》和 ASME BPVC. III. A⁃XXVI《核3级埋地聚乙烯压力管道施工规则》。
中国、欧洲、美国主要使用的PE⁃HD管道产品标准和设计规范如表2所示。
2. 2 设计方法对比
目前PE⁃HD管道标准主要有ISO和美国两套标准体系。中国PE⁃HD管道标准的GB系列主要参考ISO系列标准，设计思想相同，可以归为同一类标准体系。美国的ASME、ASTM、PPI规范是一套独立完整的标准体系。两系统都使用薄壁圆筒压力容器方程来表示管道内压与设计应力的关系，如式（5）所示：
式中 ST——给定温度T下的设计应力，MPa
PT——给定温度T下的压力，MPa
D——外径，mm
根据径厚比（外径/壁厚，DR），可对式（5）进行重新排列和简化，得到更熟悉的式（6），该公式在塑料管行业中得到了广泛的应用。
在ISO标准体系中，设计压力是由MRS和C决定的，如式（7）所示：
式中 PNT—20 ℃下的压力等级，MPa
σMRS—MRS，20 ℃下的最小要求强度，MPa
C—服从ISO 4427⁃2的总体使用（设计）系数，大于1
美国标准体系中设计压力是由HDB和DF决定的，如式（8）所示：
式中
PT——给定温度T下的压力等级，MPa
DF——服从 ASMT F714 给水管服役（设计）系数，小于1
σHDB——HDB，给定温度 T 下的静水设计基础，
MPa
ISO标准和美国标准体系中压力设计公式的计算原理与表现形式是相似的，其主要差异来自管材的许用应力选取，其本质上是HDB和MRS的物理意义和测试方法不同。两个标准体系对PE⁃HD材料长期强度的定义以及设计系数的确定方式不同，导致两个标准体系PE⁃HD材料的分级方法不同。
中国的GB系列PE⁃HD管道标准是等效参考ISO系列标准，设计思想和设计方法相同,是针对PE⁃HD管材的产品标准。中国CJJ 63和CJJ 101标准是较为独立的施工标准，在设计系数和设计压力的取值等方面参考金属管道标准GB 50013和GB 50332，壁厚设计方法参考GB系列管道产品标准。CJJ 63和CJJ 101作为行业施工标准，更多考虑了施工过程中环境的影响，以及实际服役中瞬态压力可能超过设计压力的情况，设计系数的取值大于GB系列产品标准。
2. 3 PE⁃HD材料分级方法
ISO标准体系根据长期静液压强度对PE⁃HD管材进行分级，材料牌号分级数为管材的MRS 乘以10的值。ISO标准体系中常用的牌号有PE80和PE100。PE80材料的耐快速裂纹性能要求为公称直径250 mm、SDR11的管材在0. 8 MPa内压下裂纹终止扩展 ；PE100材料的耐快速裂纹性能要求为公称直径250 mm、SDR11的管材在1. 0 MPa内压下裂纹 终止扩展 。PE80材料的耐SCG性能要求为公称直径110 mm、SDR11的管材在80 ℃、0. 8 MPa水压下保持500 h无破坏无渗漏；PE100材料的耐SCG性能要求为公称直径110 mm、SDR11的管材在80 ℃、0. 92 MPa水压下保持500 h无破坏无渗漏。
美国对PE⁃HD管材有原料分级和管材分级两种牌号。PE⁃HD的原料分级比较详尽，根据ASTM D3350，PE⁃HD原料分级命名中包括7个物理性能，依次为原料的密度、熔体流动速率、弹性模量、屈服强度、SCG性能、23℃的HDB、颜色和紫外线稳定剂，其中前6个指标以数字表示，最后1个指标以字母表示［22］。管材牌号分级主要规定密度、耐SCG 性能和长期静液压强度3个指标，由PE加4位数组成。前2位数字为材料分级中的密度和耐SCG性能，最后的2位数字表示23℃的HDS。相同管材牌号的管材可能由不同的PE⁃HD原料制成，如PE4710管材的原料可能为445474C或445574C等。
PE⁃HD给水和燃气管道常用PE3608和PE4710牌号的管材。PE3608材料要求23℃外推10×104 h的平均环向强度与DF之积（即HDS）不小于800 psi（5. 5 MPa）； PE4710材料要求23℃外推10×104 h的平均环向强度与DF之积（即 HDS）不小于1000 psi（6. 9 MPa）。耐SCG性能方面，PE3608要求材料在80℃、2. 4 MPa拉应力下进行PENT（Pennsylvania Notched Test）试验，断裂时间大于100 h；PE4710要求材料在80℃、
2. 4 MPa拉应力下进行PENT试验断裂时间大于500 h。
在ISO标准体系下被指定为PE80的管材，在美国标准体系中可能达到PE3608的性能要求；在ISO标准体系下被指定为PE100的管材料，在美国标准体系中可能达到PE4710的性能要求。两种标准体系对于材料抵抗韧性破坏和脆性破坏的性能如表3所示。
ISO标准体系中对管材的短时强度、长时强度、耐快速裂纹扩展性能和耐SCG性能4个方面的力学性能指标给出最低值限制，PE100和PE80的力学性能要求如图3所示。这四方面力学性能并非独立的，而是存在某些内部相关性。美国标准体系中对管材的短时强度、长时强度和耐SCG性能3个方面的力学性能指标给出最低值限制，PE4710和PE3608的力学性能要求如图4所示。2种标准体系对于材料长期强度和抗SCG性能的测试方法不同，无法直接比较那种方法对材料的要求更加严格。
2. 4 长期强度确定方法
PE⁃HD管材的破坏与温度、载荷大小和载荷持续时间有关，工作压力增加或工作温度增加都会导致管材破坏时间减少，即管材的使用寿命缩短。PE⁃HD管道一般需要50年或以上的使用寿命，目前标准通过较短时间的试验来外推几十年甚至100年使用时间下管材耐受静液压的能力。ISO和美国两个标准体系对于PE⁃HD管道长期强度的预测方法相似，均通过静液压试验对管材长期静水强度进行预测，但两种方法的理论基础略有不同。ISO 9080 中规定，管材最长的静液压试验至少持续9000 h，管材破坏时的环向应力与破坏时间数据使用多元线性回归方法，通过对50年（438000 h）长期静液压强度的97. 5 %的置信下限进行归类并依此确定材料的MRS值 。 而在ASTM D2837标准中 ，管材最长的静液压试验至少持续10000 h，外推得到100000 h（约11. 4 年）的平均长期静液压强度，归类以确定HDB值。ASTM D2837中规定，每种温度应独立评估，因而其线性回归模型中没有温度变量。而ISO 9080中可由高温试验结果外推低温数据。上述两种方法的主要不同之处如表4所示。
ISO标准体系规定PE⁃HD管道在水或空气的测试环境中，环境温度为20°C的情况下，根据能够承受50年的应力预测下限（在97.5%的概率水平）为预测破坏极限（σLPL）。根据σLPL范围按照ISO 12162确定MRS分级，最终确定管道的牌号分类，如表5所示。从ISO标准体系的PE⁃HD管道牌号看，只能体现管材的长期静液压强度。
美国标准ASTM D2837在方法上与ISO 9080和ISO 12162相似，都是对管材试样进行长期静液压试验，特定温度下100000h（11.4年）的平均破坏应力定义为长期静水强度（LTHS），按照ASTM D2837确定HDB等级，如表6所示。
ISO 9080和ASTM 2837对于长期静液压强度预测的本质区别是，ISO标准预测的是管道50年置信度为97.5%的静液压强度，其预测值本身已考虑了材料长时性能的不确定性（包括测试方法的不确定性）；ASTM预测的是管道11.4年的平均静液压强度，其预测结果仅仅表示长时性能的期望值，而不包含材料本身不确定性的影响。因而对于同一种材料，采用ISO标准得到的MRS值会明显低于通过ASTM标准测得的HDB。以此为基础计算管材许用应力，ASTM标准需要比ISO标准多考虑材料不确定性的影响，因而ASTM标准中等效的总体使用（设计）系数（1/DF）通常要大于ISO标准规定的总体使用系数（C）。
根据PPITR⁃3DF取0.63，根据式（3）可由HDB计算HDS。PE3608、PE3708、PE4608等牌号材料最后两位“08”表示HDS分级为800psi（5.5MPa）。PE3710、PE4710等牌号材料最后两位“10”表示HDS分级为1000psi（6.9MPa）。
2.5其他区别
由ISO标准体系定义的PE100管材与美国标准定义的PE4710管材，按照各自设计规范中的压力公式计算出额定压力等级不同。ISO标准采用公制尺寸，美国标准采用英制尺寸，两体系PE⁃HD管道的标准管材外径和壁厚均不同。同一种材料同时满足PE100和PE4710要求时，ISO体系计算出的管道许用压力较高。因而当按照ISO标准体系设计生产的PE⁃HD管道按照美国标准体系进行测试时，可能无法通过，但这并不意味着美国标准体系设计的PE⁃HD管比ISO体系的更加安全。公英制管道的转换一般需要重新进行设计，以满足对应的标准体系的设计和测试要求。
作为同种材料生产而成的PE⁃HD管，材料本身的力学行为是相同的，但是使用不同标准体系进行评估得到的长期性能会有所不同，相差4%~5%［24］。PE100与PE4710管道性能要求相似，在一定条件下可以实现互换，目前大部分PE100或PE4710管道可以同时满足两个标准体系的要求。
不同标准体系对于产品公差的要求不同，标准中的设计系数取值也不同，不能直接比较两种标准体系设计出的管道风险程度大小。ISO标准中C的取值与材料牌号无关；而美国标准中DF的取值与材料牌号有关，相同的使用工况下不同材料牌号对应的DF值可能不同。
2.6设计举例
2.6.1算例1
对于同种管材，不同使用场合下允许使用的最大压力不同；对于相同的使用场合，由于不同国家不同标准中的设计方法和设计系数不同，采用不同的标准计算得到的最大许用压力也不同。
由式（7）和（8）可以计算管材的设计压力，设计压力只与管材的径厚比（DR）、材料的长期强度（MRS、HDB）以及设计系数（C、DF）有关。假设某管材同时满足PE100和PE4710牌号要求，径厚比DR=11。在不同使用场合、不同介质条件下，根据不同标准计算出的设计压力如表7所示。
对于同一种材料的管道，不论用哪种设计方法，材料本身的力学行为是相同的。不同标准中对于材料评级时测试的力学性能不同，测试方法不同，参数要求不同，导致PE100和PE4710材料本身的不确定度不同，因此设计中所取的设计系数也不同，计算对应的设计压力不同。如市政给水PE⁃HD管道，ISO4437⁃2中规定材料的总体使用（设计）系数C为1.25，材料环向强度以MRS表示，为10MPa，则管材环向许用应力为8MPa，设计压力为1.6MPa。而若根据ASTMD3035，服役（设计）系数DF为0.63，材料环向强度以HDB表示，为1600psi（11.03MPa），则环向许用应力为6.95MPa，设计压力为1.38MPa。
PE100牌号管材的MRS为10MPa，指材料的长期环向强度为10MPa，对于不同使用场合和介质，泄漏的风险程度和危害程度不同，所取的设计系数不同，导致设计压力有所区别。PE4710材料的HDS为1000 psi（6.9MPa），指材料的长期环向许用应力为1000 psi（6.9MPa），其中已经包含了各种影响因素共同作用下的设计系数，即美国标准体系中的PE⁃HD材料分级已经考虑管材的使用场合和介质。两种标准体系没有办法直接比较哪种更加保守。
2.6.2算例2
假设某类管材同时满足PE100和PE4710牌号要求，需要外径110 mm左右的管道，使用在工作压力0.7 MPa、设计温度23℃的工况下，设计寿命为50年。根据不同标准选取所需的管材规格如表8所示。
ISO标准体系使用公制单位，美国标准体系使用英制单位，并且壁厚系列也不完全相同。由于管材的规格必须按照产品标准选取相应尺寸系列的壁厚，选取的壁厚一般会大于计算得到的最小壁厚。相同的压力和温度要求下，即使计算壁厚值接近，由于标准中给定的壁厚系列各不相同，选取的壁厚值也可能相差较大。如PE4710燃气管道，计算得最大径厚比为20.9，根据标准可选择DR19系列管材。而对于PE100燃气管道，计算得最大径厚比为15.3，根据ISO 4437⁃2可选择SDR13.6系列的管材，但根据GB 15558.1只能选用SDR11系列管材，导致安全裕量较大，存在一定程度的材料浪费。
3中国PE⁃HD管材标准存在的问题
3.1标准制定更新滞后
我国现行的市政用PE⁃HD管道GB系列产品标准主要参考ISO体系标准，有些标准参考的是十年前甚至更早的ISO标准，而对应的ISO标准有些已经被新标准替换，如表9所示。我国PE⁃HD管道GB系列产品标准相对来说修订滞后。
我国应当加快紧缺、老化标准的研制和更新力度。建议对早于10年前颁布实施的标准进行筛查，废止较老旧的标准，以及部分冲突和重复的标准。
3.2标准体系不够完善
我国现行的PE⁃HD管道产品标准和施工标准对PE⁃HD管道生产加工和产品检验方面做出了规定。这些标准主要制定单位来自上游的管材原材料供应商和管材生产企业，缺少对使用单位等下游用户诉求的体现。相比于美国的ASME NM.1⁃2018和ASME NM.3⁃2018，我国缺少系统的PE⁃HD管设计规范，也没有完整的标准体系框架，这导致标准的研制缺乏计划性和科学性。另一方面，标准归口管理机构较多，相互之间协调推进机制不完善，造成目前PE⁃HD管道标准体系中存在互相冲突、互相交叉等问题［25］。设计方可以通过设计规范，结合实际不同工况条件设计需要的管材尺寸，再根据产品标准选择适合的管材规格。
产品标准主要面向对象为PE⁃HD管道的制造商，其适用于管材产品的加工和制造，用于规范产品的尺寸和质量。PE⁃HD管道系统的设计要求与金属管道有很大不同，起初设计者曾尝试使用金属管道标准解决PE⁃HD管道材料的使用问题，但行业经验表明，金属管道标准无法解决PE⁃HD管道的适用范围、设计、材料、制造、安装、焊接等问题［26］。
目前PE⁃HD管主要应用于燃气和给水领域，已有对应的标准。近年来核电厂也开始采用PE⁃HD管道，而我国目前没有适用于核安全级的PE⁃HD管道标准。对于设计规范而言，不论用于燃气、给水还是核电冷却水，设计方法应当是相同的。对于不同使用场合下载荷情况的区别、不同安全级别对于失效概率要求的区别、不同介质泄漏危害的区别等，应当考虑不同的设计系数［27］。
我国PE⁃HD管道标准体系的建设应按照目标明确、全面成套、层次分明、划分清晰的原则进行，形成一个科学系统的整体［25］。设计规范面向服役工况，计算和设计不同工况下所需的管道壁厚和管件结构。产品标准面向制造商，应规定PE⁃HD管道的尺寸规格和公差、加工方法和测试要求等。施工标准面向现场施工人员，应规定实际安装过程中的操作方法。
3.3对塑料管道行业的影响
ISO标准体系使用公制单位，美国标准体系采用英制单位。管材生产的尺寸规格按照优先数取值，两种标准体系中的管材尺寸系列完全不同。这意味着生产不同标准体系管材使用的挤出机模具不能通用，需要针对不同直径规格的管材配备对应尺寸的模具。连接管材所用的管件需要与管材尺寸匹配，按照不同标准体系生产管件的模具规格也不同。
PE⁃HD管道产品标准和施工标准中对设计系数的规定不统一，不同用途的管道有不同的设计系数，施工中为了安全一般选择较为保守的设计系数，使得最终管道用户的使用压力一般处于较低水平。以PE100，SDR11燃气PE⁃HD管为例，按照屈服强度25 MPa计算，短时爆破压力5 MPa；50年预测MRS为10 MPa，对应内压为2 MPa。按照产品标准GB 15558.1取C=2，最大使用压力1.0 MPa；按照施工标准CJJ 63取C=2.5，最大使用压力0.8 MPa。而实际工程中天然气管道工作压力约0.3~0.4 MPa。燃气管道一层一层的强度余量保留，造成了聚乙烯管材的性能过剩和材料浪费，如图5所示。
ISO标准体系和美国体系中对于PE⁃HD管材外径和壁厚的尺寸公差要求不同，从数值上看ISO标准体系中对于壁厚公差限制更严格一些。对于管材生产厂家，生产ISO标准体系管材对设备精度要求更高。
ISO和美国标准体系对PE⁃HD管材的分级依据不同，同一种原材料生产的管材会被定义为不同的牌号，根据各自标准体系的压力计算公式得到不同的设计压力。实际应用到市政领域中会出现相同材料的管道依据不同标准设计安装时，具有不同的工作压力的情况。
3.4不同标准体系共存
我国目前PE⁃HD管道产品生产、检验等标准遵循ISO标准体系的方法和思想，但是对于ISO标准没有涉及到的领域，如核电厂安全相关PE⁃HD管道，只能按照美国标准体系进行设计和选型。同时兼顾两套标准体系的要求必然会造成成本的增加，但是两套标准对管材的生产加工到设计计算都有完全不同的要求。因此我国需要发展独立自主的标准体系，为核电厂PE⁃HD管道国产化提供设计基础。
核安全级设备的要求较高，对聚乙烯管道的技术和质量要求较为严格。目前ASME的核电聚乙烯管标准已经较为完整，N⁃755和ASMEB PVC.III.A⁃XXVI规定只许使用PE4710牌号的管道，但并不是所有PE100的管材都符合PE4710的性能要求，这会给如中国这样采用ISO标准体系的国家带来额外的障碍或负担［28］。
本文对比不同的核电管道设计规范发现，各标准的设计原理与思路相似，管材壁厚设计公式相似。我国若编制独立自主的PE⁃HD管道设计规范，不应当完全采用ISO或美国的标准条款，应根据我国现有的材料标准、产品标准、检验标准、制造水平等配套地编写适用于我国国情的标准［29］。制定合理的设计方法关键在于结合PE⁃HD材料的长期强度制定合理的设计系数的取值方法，需要在研究ISO和美国标准体系中设计系数的取值方式的基础上，根据材料和系统的失效概率、失效后果、载荷情况研究确定相应的设计系数。
3.5中国标准体系发展建议
完整的PE⁃HD管道标准体系应包括材料标准、产品标准、设计规范、施工标准和检验检测标准等，各标准应相互协调配合，完整覆盖PE⁃HD管道从生产加工到服役使用的全过程。同时应明确各类标准的适用范围，明确目标，划分清晰，避免出现交叉重叠。
材料标准应包括原材料性能的测试方法，解决原材料认证和供应问题，支撑国产材料的发展，我国已有标准GB/T 18252等。产品标准应能够确保聚乙烯管道从原材料经过制造，仍保留了原材料性能要求，并能根据不同的设计压力确定产品规格，我国已有标准GB 15558.1和GB/T 13663.2等。设计规范应针对载荷（温度/压力等载荷）、环境（介质）等因素进行设计，满足服役条件。应使设计者能够根据设计工况条件和具体使用时的安全性、可靠性要求，依据标准可以确定合适的管材规格。目前我国没有单独的设计规范，可以研究参考美国标准ASME NM.3.1，对不同载荷引起的管道最大应力进行限制，考虑温度循环引起的疲劳等。施工标准是施工过程中应遵守的规范，在管道连接和敷设过程中考虑环境和操作条件的限制和影响，确保工程质量和安全供给，我国已有标准CJJ 63和CJJ 101等。检验检测标准应包含无损检测的方法、要求以及相关的安全评定方法等，我国已制定标准GB/T 29461和GB/T 29460等。
目前，我国PE⁃HD管道各类标准中存在交叉、重叠甚至矛盾的问题。如PE⁃HD燃气管道GB 15558.1、2系列产品标准参考ISO 4437⁃1、⁃2、⁃3系列标准，其中对PE⁃HD管道壁厚设计公式中已经定义了C的最小值可取2.0，而施工标准CJJ 63中将C的最小值提高到2.5。GB 15558中只给出了C的最小值，没有明确说明C取值所考虑的影响因素，例如载荷不确定度、材料不确定度、环境因素以及失效后果等的影响。CJJ 63根据不同的燃气种类，给出了天然气、液化石油气和人工煤气的C值范围，但是对于载荷和材料的不确定度等因素对C取值的影响，没有明确的说明。建议标准中明确列出C的取值方法和依据，使设计者能够根据载荷情况和安全等级判断所需的安全裕量，在设计或施工中选择合理的设计系数，减少生产成本。
标准中应考虑PE⁃HD材料的力学特性。如CJJ 101⁃2016中设计压力采用l.5倍工作压力是考虑运行中水锤残余压力增大确定的，是为了保证使用期间出现短时的超过工作压力的内压载荷时管材仍可以承受。对于长期强度和短期强度接近的金属材料，由于短期出现的超过工作压力的载荷形成的应力更大，将1.5倍工作压力作为设计压力的规定对于金属管道是科学的。而聚乙烯是黏弹性材料，长期强度和短期强度相差很大，对于长期载荷和短期载荷应该分开校核，如ASME BPVC.III.A⁃XXVI⁃2019中列出了不同作用时间情况下，材料强度和模量的取值，以及对应的校核公式。
PE⁃HD管道标准体系中，不同标准之间可以相互配合与协调。如CJJ 33《城镇燃气输配工程施工及验收规范》规定，当无损检测比例为100%时，管道设计的焊缝系数为1。无损检测通过获取管道更多信息，减小管道系统运行服役的不确定性，降低设计安全系数，从而提高管道的经济性和可靠性。
完善PE⁃HD管道标准体系应充分发挥现有优势。我国PE⁃HD管道电熔接头无损检测与安全评定技术标准处于国际领先水平。如GB/T 29461《聚乙烯管道电熔接头超声检测》，相比ASTM标准，除了给出常规的检测工艺与程序要求，还包含了冷焊缺陷的检测方法，并且给出各类典型缺陷的超声图谱对照图，更加便于检测人员实施。
在追踪国外标准更新动态的同时，加大科研投入，结合我国标准实施情况以及产品应用技术的实践经验，发挥现有优势，在现行PE⁃HD管道相关技术标准的基础上，提出适合我国的完整完善的标准体系，解决目前我国标准中存在的部分技术要求规定不明确和相关标准间冲突等问题。
4结语
PE⁃HD材料与金属材料相比具有耐腐蚀、密度小、寿命长等优势，广泛应用于给水和燃气等领域。PE⁃HD管道的壁厚设计主要考虑材料强度随时间的下降，而金属管道的壁厚设计主要考虑材料的腐蚀。PE⁃HD管道与金属管道失效模式的不同导致了二者的壁厚设计公式的不同。PE⁃HD管道的设计需要结合材料本身的力学性质，不能完全按照金属管道的设计方法。
ISO标准体系与美国标准体系对于PE⁃HD管道的材料的分级方法和长期强度确定方法的规定不同，相同的PE⁃HD材料制成的管材使用不同的标准体系会被认证为不同牌号的管材，按照各自体系中的设计公式得到不同的设计压力。目前我国PE⁃HD管道标准主要是由ISO标准翻译后修改而来，并且与ISO标准相比存在着较为严重的滞后现象。我国在某些场合（如核电厂）的PE⁃HD管道系统会使用美国的相关规范，两套体系的并存可能会引起生产成本的增加。相比美国PE⁃HD管道标准体系，ISO标准体系中设计方法部分并不完善，但是我国现有产品标准沿用了ISO标准的分级思想和尺寸系列。因为要制定完善的PE⁃HD管道标准体系，不应单一的参考ISO标准或美国标准，应在我国现有GB标准的基础上，以ISO管材分级方法为基础，借鉴美国标准的设计思想，发展独立自主的管道规范。应当逐渐积累自己的测试方法和数据，考虑国内目前的标准体系情况与产业现状，制定与我国生产、测试、检测条件相匹配的独立的PE⁃HD管道技术标准体系，支撑我国PE⁃HD管道行业的健康快速发展。
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